生物分离工程 第十二章 干燥.ppt

Chapter 11干干 燥燥DesiccationKnowledge pointsuuThe definition of dryingThe definition of drying干燥的概念干燥的概念uuThe basic procedure of dryingThe basic procedure of drying干燥的基本流程干燥的基本流程uuThe kinds of water content in materialsThe kinds of water content in materials物料中所含水分的种类有物料中所含水分的种类有哪些？除去的难易程度如何？哪些？除去的难易程度如何？uThe definition of equilibrium water content and free water content平平衡水分和自由水分的概念衡水分和自由水分的概念uuThe drying curve,The drying curve,constant speed drying stage and reducing drying stage了解干燥曲线，并结合干燥速率曲线说明什么是恒速干燥了解干燥曲线，并结合干燥速率曲线说明什么是恒速干燥阶段？什么是降速干燥阶段？阶段？什么是降速干燥阶段？uuThe rules of drying furniture selectingThe rules of drying furniture selecting干燥设备选型的原则是什么干燥设备选型的原则是什么？uuThe normal drying furnituresThe normal drying furnitures常用的干燥设备有哪些？常用的干燥设备有哪些？干燥的基本概念干燥的基本概念uu用用热能热能加热物料，使加热物料，使物料中湿分（包括水或其物料中湿分（包括水或其他溶剂）蒸发而干燥他溶剂）蒸发而干燥或者用或者用冷冻法冷冻法使使水分结冰水分结冰后升华后升华而除去的单元操作；而除去的单元操作；uu通常是生物产品分离的通常是生物产品分离的最后一步最后一步；uu注意的注意的2 2个问题：个问题：（1 1）生物产物多为热敏物质）生物产物多为热敏物质 （2 2）必须满足无菌操作）必须满足无菌操作干燥方式的分类干燥方式的分类u传导干燥：载热体与湿物料颗粒间接接触u对流干燥：载热体与湿物料颗粒直接接触u辐射干燥：电能辐射如专供发射红外线的灯泡和热能辐射u介电加热干燥：干燥过程的基本流程干燥过程的基本流程uu新鲜空气新鲜空气 过滤器过滤器 鼓风机鼓风机 加热器加热器 排放排放 引风机引风机 二次除尘二次除尘 一次除尘一次除尘 干燥器干燥器 产品产品湿湿料料物料内水分的种类物料内水分的种类uu结合水（包括细胞含水、纤维束含水以及毛细管水）较难以除去；结合水（包括细胞含水、纤维束含水以及毛细管水）较难以除去；非结合水（物料表面的湿润水分和较大孔隙水分）较容易除去。非结合水（物料表面的湿润水分和较大孔隙水分）较容易除去。uu化学结合水化学结合水水分与物料的离子型结合和结晶型分子结合（结晶水），结晶水的水分与物料的离子型结合和结晶型分子结合（结晶水），结晶水的脱除必将引起晶体的崩溃；脱除必将引起晶体的崩溃；uu物化结合水物化结合水包括吸附、渗透和结构水分，其中吸附水分结合力最强；包括吸附、渗透和结构水分，其中吸附水分结合力最强；uu机械结合水机械结合水毛细管水、湿润水分、小孔隙水分，大空隙水分，属非结合水。毛细管水、湿润水分、小孔隙水分，大空隙水分，属非结合水。平衡水分和自由水分平衡水分和自由水分uu平衡水分平衡水分：当一种物料与一定温度及湿度的空气接触时，当一种物料与一定温度及湿度的空气接触时，物料势必会放出或吸收一定量的水分，物料物料势必会放出或吸收一定量的水分，物料的含水量会趋于一定值。的含水量会趋于一定值。此时，物料的含水量称为该空气状态下的平此时，物料的含水量称为该空气状态下的平衡水分。衡水分。平衡水分代表物料在一定空气状态下的干燥极限，即平衡水分代表物料在一定空气状态下的干燥极限，即用用热空气干燥法，平衡水分是不能去除的热空气干燥法，平衡水分是不能去除的uu自由水分自由水分在干燥过程中能够除去在干燥过程中能够除去的水分，是物料中超出的水分，是物料中超出平衡水分的部分平衡水分的部分干燥过程分析干燥过程分析uu干燥曲线干燥曲线uu在一恒定的干燥条件下（保持干燥介质的温度、在一恒定的干燥条件下（保持干燥介质的温度、湿度、流动速度不变、干燥介质大大过量），湿度、流动速度不变、干燥介质大大过量），进行物料的干燥实验，将所得的数据作图，以进行物料的干燥实验，将所得的数据作图，以干燥时间为横坐标，物料湿含量和物料温度为干燥时间为横坐标，物料湿含量和物料温度为纵坐标，可得干燥曲线。纵坐标，可得干燥曲线。干燥曲线干燥曲线左：预热阶左：预热阶段段 中：恒速干中：恒速干燥阶段燥阶段右：减速干右：减速干燥阶段燥阶段XcXc临界含临界含水率水率 干燥速率曲线干燥速率曲线uu单位时间内，单位干燥面积蒸发的水分质量单位时间内，单位干燥面积蒸发的水分质量干燥速率，Kg/h.m2G绝干物料量，KgA干燥面积，m2dx/d干燥曲线斜率干燥速率曲线干燥速率曲线右：预热阶右：预热阶段段 中：恒速干中：恒速干燥阶段燥阶段左：减速干左：减速干燥阶段燥阶段Xc临界含临界含水率水率 预热阶段预热阶段uu该阶段主要对湿物料进行加热，该阶段主要对湿物料进行加热，物料温度逐步上升物料温度逐步上升，水分蒸发量很少。水分蒸发量很少。恒速干燥阶段恒速干燥阶段(物料温度不变）物料温度不变）uu湿物料表面为非结合水所湿润，湿物料表面为非结合水所湿润，物料表面温度是该空气状态下的物料表面温度是该空气状态下的湿球温度；湿球温度；uu此时，此时，传热推动力（温度差）以及传质推动力（饱和蒸汽压差）传热推动力（温度差）以及传质推动力（饱和蒸汽压差）是一个定值；是一个定值；uu因此，干燥速率也是一个定值；因此，干燥速率也是一个定值；uu实际上，该阶段的干燥速率决定于物料表面水分汽化的速率、决实际上，该阶段的干燥速率决定于物料表面水分汽化的速率、决定于水蒸气通过干燥表面扩散到气相主体的速率。因此，又称为定于水蒸气通过干燥表面扩散到气相主体的速率。因此，又称为表面汽化控制阶段，或称表面蒸发阶段表面汽化控制阶段，或称表面蒸发阶段。uu此时的干燥速率此时的干燥速率几乎等于纯水的汽化速度，和物料湿含量、物料几乎等于纯水的汽化速度，和物料湿含量、物料类别无关；类别无关；uu影响因子主要有：空气流速、空气湿度、空气温度等外部条件。影响因子主要有：空气流速、空气湿度、空气温度等外部条件。降速干燥阶段降速干燥阶段(物料温度上升）物料温度上升）uu物料湿含量降至临界点以后，便进入降速干燥阶段。物料湿含量降至临界点以后，便进入降速干燥阶段。uu在降速干燥阶段，非结合水以及结合水被蒸发，继续进行干燥，在降速干燥阶段，非结合水以及结合水被蒸发，继续进行干燥，只能蒸发结合水。只能蒸发结合水。uu结合水的蒸气压恒低于同温下纯水的饱和蒸汽压结合水的蒸气压恒低于同温下纯水的饱和蒸汽压，传质、传热推，传质、传热推动力逐渐减小，干燥速率随之降低；动力逐渐减小，干燥速率随之降低；uu干燥空气的剩余能量被用于加热物料表面，物料表面温度逐渐升干燥空气的剩余能量被用于加热物料表面，物料表面温度逐渐升高，局部干燥。高，局部干燥。uu在这一阶段，在这一阶段，干燥速率取决于水分和蒸汽在物料内部的扩散速度干燥速率取决于水分和蒸汽在物料内部的扩散速度。因此，亦称为内部扩散控制阶段，与外部条件关系不大。因此，亦称为内部扩散控制阶段，与外部条件关系不大。uu主要影响因素为物料结构、形状和大小主要影响因素为物料结构、形状和大小干燥过程的基本计算干燥过程的基本计算uu水份蒸发量水份蒸发量uu湿基含水量（湿基含水量（）：）：uu干基含水量（干基含水量（）：）：uu水份蒸发量的计算水份蒸发量的计算W水份蒸发量，Kg/hG1进入干燥设备的湿物料量，Kg/hG2离开干燥器的产品质量，Kg/h1湿物料的含水量，（湿基）%2干燥后产品含水量，（湿基）%干燥设备中总物料衡算（干燥设备中总物料衡算（1）湿物料中绝对干物料的物料衡算（湿物料中绝对干物料的物料衡算（2）由（由（1，2）得：得：uu干燥空气用量干燥空气用量L绝对干燥空气质量流量，kg/hX1进入干燥器的空气湿度，kg/kgX2出干燥器的空气湿度，kg/kg质量衡算q蒸发1kg水所需热量，kJ/kg 水Q干燥所需总热量，kJ/h热量衡算干燥设备的分类与选择原则干燥设备的分类与选择原则uu干燥设备的分类干燥设备的分类uu目的目的便于根据物料特性，选择干燥器类型；便于进便于根据物料特性，选择干燥器类型；便于进行干燥设备的工艺计算与结构设计。行干燥设备的工艺计算与结构设计。uu具体分类见具体分类见SC P297SC P297uu干燥设备选择原则 被干燥物料的性质被干燥物料的性质：湿物料的物理特性、干物料的：湿物料的物理特性、干物料的物理特性、腐蚀性、毒性、可燃性、粒子大小及磨物理特性、腐蚀性、毒性、可燃性、粒子大小及磨损性；损性；物料的干燥特性物料的干燥特性：湿分的类型（结合水、非结合水）：湿分的类型（结合水、非结合水）、初始和最终湿含量、允许的最高干燥温度、产品、初始和最终湿含量、允许的最高干燥温度、产品的色泽、光泽等；的色泽、光泽等；粉尘及溶剂回收粉尘及溶剂回收 安装的可行性安装的可行性干燥设备干燥设备uu针对热敏性物质开发的单元操作有：瞬时快速干燥瞬时快速干燥：接触时间短、气流温度高：接触时间短、气流温度高 喷雾干燥喷雾干燥：时间短、热效低、可同时造粒：时间短、热效低、可同时造粒 气流干燥气流干燥：接触时间较长：接触时间较长 沸腾干燥沸腾干燥：接触时间最长，热效最高：接触时间最长，热效最高 低温干燥低温干燥：适用于粘稠状物料，活性保持最好：适用于粘稠状物料，活性保持最好 微波干燥微波干燥：时间短，效率高：时间短，效率高 红外干燥红外干燥：温度高，干燥速度快：温度高，干燥速度快厢式干燥设备厢式干燥设备uu由一个或多个小格（室）组成；由一个或多个小格（室）组成；uu干燥媒介的流动方式：自然对流、强制平行干燥媒介的流动方式：自然对流、强制平行流动、强制穿流流动；流动、强制穿流流动；uu使用范围：适用于粒状、晶状和片状产品使用范围：适用于粒状、晶状和片状产品uu优缺点：优缺点：uu结构简单，但能耗大，热效低，现已逐渐被结构简单，但能耗大，热效低，现已逐渐被淘汰。淘汰。气流干燥设备气流干燥设备uu干燥介质为热干空气干燥介质为热干空气uu使用范围：含非结合水的粉末或颗粒物料的干使用范围：含非结合水的粉末或颗粒物料的干燥；燥；uu优点：结构简单，传热系数大，干燥速度快优点：结构简单，传热系数大，干燥速度快旋转闪蒸干燥设备旋转闪蒸干燥设备喷雾干燥设备喷雾干燥设备uu采用雾化器，将料液分散成细小雾滴，在喷雾采用雾化器，将料液分散成细小雾滴，在喷雾干燥器内直接进行干燥，并采用旋风分离器对干燥器内直接进行干燥，并采用旋风分离器对干燥后的物料进行回收；干燥后的物料进行回收；uu优点：优点：传热表面积大，干燥时间短，适用于抗传热表面积大，干燥时间短，适用于抗生素、酵母粉、酶制剂等热敏性物质的干燥；生素、酵母粉、酶制剂等热敏性物质的干燥；并可将蒸发、结晶、过滤、粉碎等过程集成于并可将蒸发、结晶、过滤、粉碎等过程集成于一次完成。一次完成。uu缺点是缺点是热效低、能耗大、设备体积过大热效低、能耗大、设备体积过大流化床干燥设备流化床干燥设备uu在流化床中加入湿的颗粒状物料，在流化床下在流化床中加入湿的颗粒状物料，在流化床下部通入热空气，在一定流速下形成激烈的固体部通入热空气，在一定流速下形成激烈的固体流态化状态。因此，又称沸腾床，是一种有效流态化状态。因此，又称沸腾床，是一种有效的干燥装置。的干燥装置。uu使用范围：由于物料在干燥器中停留时间过长，使用范围：由于物料在干燥器中停留时间过长，不适宜干燥一些热敏性物质，使用于干燥葡萄不适宜干燥一些热敏性物质，使用于干燥葡萄糖、味精、柠檬酸等稳定物料的干燥。糖、味精、柠檬酸等稳定物料的干燥。红外干燥红外干燥uu以电磁波辐射作为热量来源，通常波长在以电磁波辐射作为热量来源，通常波长在0.7510000.751000微米波段；微米波段；uu热量高，温度变化幅度大，适用于稀薄的物料热量高，温度变化幅度大，适用于稀薄的物料干燥干燥微波干燥微波干燥uu利用微波产生的电磁能，从内部加热湿物料；利用微波产生的电磁能，从内部加热湿物料；uu在交流电磁场的作用下，偶极离子会产生与电在交流电磁场的作用下，偶极离子会产生与电场方向变化相适应的振动，从而摩擦产热，使场方向变化相适应的振动，从而摩擦产热，使水分蒸发。水分蒸发。冷冻干燥冷冻干燥uu使被干燥的液体在极低的温度下，冷冻成固体；然后，使被干燥的液体在极低的温度下，冷冻成固体；然后，在低温、低压下利用水的升华性能，使冰升华汽化而在低温、低压下利用水的升华性能，使冰升华汽化而除去，以达到干燥的目的；除去，以达到干燥的目的；uu冷冻干燥法适用于绝大多数生物产品的干燥和浓缩，冷冻干燥法适用于绝大多数生物产品的干燥和浓缩，可以最大限度地保证生物产品的活性。可以最大限度地保证生物产品的活性。本章作业uu干燥的概念干燥的概念uu干燥的基本流程干燥的基本流程uu物料中所含水分的种类有哪些？平衡水分和自由水分物料中所含水分的种类有哪些？平衡水分和自由水分的概念的概念uu了解干燥曲线，并结合干燥速率曲线说明恒速干燥阶了解干燥曲线，并结合干燥速率曲线说明恒速干燥阶段和降速干燥阶段的特点段和降速干燥阶段的特点uu干燥设备选型的原则是什么？干燥设备选型的原则是什么？uu常用的干燥设备有哪些？常用的干燥设备有哪些？论述题论述题:任选任选1题以小论文的形式书写，要求：（题以小论文的形式书写，要求：（1）有自）有自己的观点；（己的观点；（2）引用并列出近）引用并列出近5年来的参考文献，至年来的参考文献，至少有少有1篇英文文献；（篇英文文献；（3）800字左右；谢绝原文翻译）字左右；谢绝原文翻译）u1论述生物分离工程中膜分离技术的新进展及发展趋势。u2以生物表面活性剂为例阐述该类表面活性剂在细胞破碎中的应用。u3论述生物分离工程的新进展及发展趋势。u4举例论述某一萃取技术应用及研究进展u5 以纳滤膜等膜为例论述膜分离技术在制药工业中的应用及发展趋势u6.新型色谱技术在生物分离工程中的应用